DE3632119C2 - Monolithisch integrierbare Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine monolithisch integrierbare Steuer­ schaltung zum Umschalten induktiver Lasten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine solche Steuerschaltung, die mit einer Gegentakt-Endstufe ausgestattet ist und zum Ansteuern von Relais, Solenoiden und Gleichstrommotoren eingesetzt werden kann.

Die einfachste Ausführungsform der Endstufe mit zu einer Gegentakt­ schaltung geschalteten Transistoren besteht in einem Paar komplementärer, in B-Betrieb arbeitender Transistoren. Diese Transisto­ ren liegen in Reihe mit ihren Emitter- und Kollektor-Anschlüssen zwi­ schen den beiden Polen einer Versorgungsspannungsquelle, und sie werden abwechselnd und gegenphasig durch entsprechende Ansteuerung ihrer Basiselektroden leitend gemacht.

In einer solchen Schaltung ergeben sich entgegengesetzte Stromflüsse in der Last, die an einen Ausgangsanschluß angeschlossen ist, der durch den Verbindungsknoten zwischen den beiden Transistoren gebildet wird.

Da das Umschalten jedes der Transistoren der Endstufe nicht unmittel­ bar, sondern vielmehr mit einer Übergangszeit erfolgt, die nicht unbe­ trächtlich ist, wenn die Transistoren in die Sättigung gehen, läßt es sich nicht vermeiden, daß die beiden Transistoren während des Umschalt­ vorgangs der Endstufe gleichzeitig leiten, wenn die Transistoren in einfacher Weise gegenphasig angesteuert werden.

Das gleichzeitige Leiten der beiden Transistoren ruft im allgemeinen eine unerwünschte Erhöhung der Verlustleistung in der Endstufe hervor.

Wenn dann noch an die Endstufe eine induktive Last angeschlossen ist, erhöht die Gegen-EMK, die während des Umschaltens der Endstufe von dem durch die Last fließenden Strom induziert wird, plötzlich die Kol­ lektor-Emitter-Spannung des gerade in der Ausschaltphase befindlichen Transistors, der aber noch leitet, so daß in diesem Transistor die größte Verlustleistung entsteht, die unter Umständen zerstörende Wirkung haben kann.

Aus diesem Grund muß vermieden werden, daß die Transistoren einer Gegentakt-Endstufe in einer Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten während des Umschaltvorgangs gleichzeitig leitend sind. Die einfachste Lösung dieses Problems besteht darin, in der an die Gegen­ takt-Endstufe angeschlossenen Steuerschaltungseinrichtung in geeigneter Weise das Einschaltsignal für den noch ausgeschalteten Endtransistor gegenüber dem Ausschaltsignal des leitenden Transistors zu verzögern.

In der Praxis benötigt eine Steuerschaltung, die eine solche Lösung vorsieht, ziemlich komplexe Schaltungsmittel, die im Hinblick auf die von der integrierten Schaltung belegte Fläche kostspielig sind.

In der DE-OS 33 09 212 ist von der Anmelderin eine Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten beschrieben worden, die auf einem anderen Funktionsprinzip beruht und die eine wirtschaftliche industrielle Anwendbarkeit ermöglicht.

Eine solche Steuerschaltung ist in Fig. 1 skizziert. Die Steuerschaltung enthält eine Endstufe mit zwei Bipolar-Transistoren T1 und T2, von denen der eine ein PNP- und der andere ein NPN-Transistor ist. Die zusammengeschalteten Kollektoranschlüsse der beiden Transistoren bilden den Ausgangsanschluß der Steuerschaltung.

Die Emitter-Anschlüsse der Transistoren T1 und T2 sind an den positiven +V_CC bzw. an den negativen Anschluß -V_CC einer Versor­ gungsspannungsquelle angeschlossen. An die Basis des Transistors T1 ist der Kollektor eines PNP-Bipolar-Transistors T3 angeschlossen. An die Basis des Transistors T2 ist der Kollektor eines NPN-Bipolar-Transistors T4 angeschlossen.

Die Emitter-Anschlüsse der Transistoren T3 und T4 sind an den positi­ ven Anschluß +V_CC bzw. an den negativen Anschluß -V_CC angeschlos­ sen.

Die Basisanschlüsse der Transistoren T1 und T4 sind an den Kollektor bzw. an den Emitter eines NPN-Bipolar-Transistors T14 angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistoren T3 und T2 sind an den Kollektor­ anschluß bzw. an den Emitteranschluß eines NPN-Bipolar-Transistors T23 angeschlossen. Die Basisanschlüsse der Transistoren T14 und T23 sind an eine Schaltsteuereinrichtung angeschlossen, die in der Figur als rechteckiger Block C dargestellt ist. Die Schaltsteuereinrichtung umfaßt beispielsweise eine Differenzverstärkeranordnung, die in der oben er­ wähnten Patentanmeldung näher beschrieben ist.

Die Schaltsteuereinrichtung C ist an eine Umschaltsignalquelle ange­ schlossen, welche in der Figur durch einen Block SW dargestellt ist. In Abhängigkeit von Umschaltsignalen, die von der Quelle abgegeben werden, steuert die Schaltsteuereinrichtung das abwechselnde Leiten der Transistoren T14 und T23. Wenn daher die Transistoren T1 und T4 leiten, sind die Transistoren T2 und T3 gesperrt, und umgekehrt. Die Transistoren T1 und T2 der Endstufe leiten, indem sie in Sättigung gehen.

Entsprechend der oben erwähnten DE-OS 33 09 212 leiten auch die Transistoren T3 und T4, indem sie in Sättigung gehen.

Zur Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung sei angenommen, daß ein Umschaltsignal das Sperren des Transistors T14 und das Leiten des Transistors T23 veranlaßt.

Der Transistor T3 geht mit einer unwesentlichen Verzögerung in die Sättigung; dieser Transistor leitet Ladungen von der Basis des Tran­ sistors T1 ab und verringert dadurch die Umschaltübergangszeit zwischen Sättigung und Sperrzustand dieses Transistors. Der Transistor T4 hingegen bleibt leitend, und zwar zunächst in Sättigung, solange, wie seine Basis nicht von den Ladungen befreit ist, die in ihr gespeichert sind. Während dieser Übergangsphase nimmt der Transistor T4 laufend den Emitterstrom des Transistors T23 auf, wodurch ein Leitendwerden des Transistors T2 verhindert wird, der deshalb mit einer Verzögerung umschaltet, die bestimmt wird durch die Sättigungsbedingungen des Transistors T4.

Die Transistoren T3 und T4, die das Sperren des Transistors T1 be­ schleunigen und Einschalten des Transistors T2 verzögern, ermöglichen es, das gleichzeitige Leiten der Transistoren T1 und T2 zu vermeiden oder doch zumindest die Dauer eines gleichzeitigen Leitens in geeigneter Weise zu begrenzen, derart, daß eine solche Situation nicht für die Unversehrtheit der Anordnung gefährlich wird.

Der in die andere Richtung erfolgende Umschaltvorgang läuft analog und symmetrisch zu dem oben beschriebenen Vorgang ab: Der Transistor T4 beschleunigt das Sperren des Transistors T2, während der Transistor T3 das Einschalten des Transistors T1 verzögert, wodurch auch in diesem Fall abträgliche Einflüsse durch gleichzeitiges Leiten der Transistoren vermieden werden.

Die Wirtschaftlichkeit der beschriebenen Losung wird deut­ lich, wenn man die Tatsache berücksichtigt, daß jegliches unvorteilhaftes gleichzeitiges Leitendwerden vermieden werden kann, indem man als zusätzliche Elemente lediglich zwei normale Bipolar-Transistoren, nämlich die Transisto­ ren T3 und T4, verwendet.

Außerdem verursachen die Transistoren T3 und T4 keine Er­ höhung der Versorgungsstromaufnahme, da der abfließende Basisstrom des Endtransistors T1 im Transistor T4 als über dem Transistor T14 einfließender Basisstrom wieder verwen­ det wird (zumindest als nennenswerter Basisstrom des Tran­ sistors T14), und der einfließende Basisstrom des Transi­ stors T2 als über den Transistor T23 abfließender Basis­ strom des Transistors T3 wieder verwendet wird (zumindest als beträchtlicher Basisstrom des Transistors T23).

Allerdings kann auch diese oben beschriebene Umschalt Steuerschaltung für induktive Lasten in der praktischen Ausführung als monolithisch integrierte Schaltung einen Nachteil haben, der eng verbunden ist mit den technologi­ schen Problemen einer solchen Schaltungsrealisierung.

Wie dem Fachmann bekannt ist, gibt es tatsächlich Leck­ ströme bei Transistoren einer integrierten Schaltung, auch wenn diese Transistoren sperren. In dem betrachteten Fall können die Leckströme der Transistoren T23 und T14 ein unbeabsichtigtes und unerwünschtes erneutes Einschalten der Transistoren T3 und T4 hervorrufen, einhergehend mit negativen Auswirkungen auf die Genauigkeit der Steuerung der Endtransistoren T1 und T2.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine monoli­ thisch integrierbare Steuerschaltung zum Umschalten induk­ tiver Lasten zu schaffen, die bei etwa gleich hohen Her­ stellungskosten im Vergleich zu den bekannten Schaltungen eine höhere Funktionssicherheit und -genauigkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Er­ findung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Aus der US 4 205 273 ist ein Impulssignalverstärker für eine induktive Last bekannt, bei welcher Maßnahmen vorgesehen sind, um zu verhindern, daß ein Leckstrom von der induktiven Last in den Basis- Emitter-Kreis eines der Ausgangstransistoren einer Gegentakt-Ausgangs­ stufe fließt. Jeder der beiden Ausgangstransistoren wird von einem bipolaren Ansteuertransistor angesteuert. Bei einigen der in dieser Druckschrift dargestellten Schaltungen ist jeder Ansteuertransistor vom entgegengesetzten Leitungstyp wie der zugehörige Ausgangstransistor. Bei einer der dort dargestellten Schaltungen weist jeder Ansteuertran­ sistor den selben Leitungstyp auf wie der zugehörige Ausgangstransistor. Sowohl den Ausgangstransistoren als auch den Ansteuertransistoren sind im letztgenannten Fall je zwei Dioden zugeordnet, mittels welchen ver­ hindert werden soll, daß irgendeiner dieser Transistoren in die Sättigung gerät. Eine erste dieser Dioden ist mit dem Basisanschluß des zugeord­ neten Transistors in Reihe geschaltet, die andere Diode ist einen Endes mit der ersten Diode und anderen Endes mit dem Kollektor des zuge­ hörigen Transistors verbunden. Da gemäß Spalte 3, Zeilen 15 ff dieser Druckschrift mit diesen Dioden verhindert wird, daß die Transistoren in Sättigung gelangen, treten die Probleme mit gesättigten Gegentakt-Aus­ gangstransistoren, wie sie mit der vorliegenden Erfindung beseitigt worden sind, bei dieser bekannten Schaltung gar nicht auf.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine teilweise als Blockdiagramm dargestellte Skizze einer bekannten Steuerschaltung zum Umschalten induktiver Lasten, wie sie oben beschrieben wurde, und

Fig. 2 eine teilweise als Blockdiagramm dargestellte Skizze einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung zum Um­ schalten induktiver Lasten.

In der Skizze nach Fig. 2 sind für gleiche und vergleichbare Bauteile ähnliche (gestrichene) Bezugszeichen verwendet.

Die in Fig. 2 dargestellte erfindungsgemäße Steuerschaltung besitzt eine Endstufe mit zwei Bipolar-Transistoren T1' und T2', die als PNP- bzw. NPN-Transistor ausgebildet sind, und die mit ihren Kollektoranschlüssen gekoppelt sind, um dadurch den Ausgangsanschluß der Steuerschaltung zu bilden.

Die Emitter der Transistoren T1' und T2' sind an den positiven An­ schluß +V_CC bzw. an den negativen Anschluß -V_CC einer Versorgungs­ spannungsquelle angeschlossen. Die Basen der beiden Transistoren sind an eine Schaltsteuereinrichtung angeschlossen, die in der Zeichnung als rechteckiger Block C' dargestellt ist.

Die Schaltsteuereinrichtung C' ist an eine Umschaltsignalquelle ange­ schlossen, die in der Figur durch einen Block SW' dargestellt ist. Ent­ sprechend den in der Umschaltsignalquelle erzeugten Umschaltsignalen steuert die Schaltsteuereinrichtung abwechselnd das Leitendwerden der Transistoren T1' und T2'.

Bei der Schaltsteuereinrichtung C' kann es sich um eine Schaltung han­ deln, die genauso ausgebildet ist wie die Schaltsteuereinrichtung C in Verbindung mit den Transistoren T14 und T23, die in Fig. 1 dargestellt sind.

An die Basis des Transistors T1' ist der Kollektor eines PNP-Bipolar- Transistors T3' angeschlossen. An die Basis des Transistors T2' ist der Kollektor eines NPN-Bipolar-Transistors T4' angeschlossen.

Die Emitter der Transistoren T3' und T4' sind an den positiven An­ schluß +V_CC bzw. an den negativen Anschluß -V_CC der Versorgungs­ spannungsquelle angeschlossen.

Die Basen der Transistoren T3' und T4' sind an die Anode einer ersten Diode D3' bzw. an die Kathode einer zweiten Diode D4' angeschlossen.

Die Kathode der Diode D3' ist einerseits an die Steuerschaltungsein­ richtung C', und andererseits über einen ersten Widerstand R3' an den positiven Versorgungsspannungs-Anschluß +V_CC angeschlossen.

Die Anode der Diode D4' ist einerseits an die Steuerschaltungseinrich­ tung C', andererseits über einen zweiten Widerstand R4' an den negati­ ven Versorgungsspannungs-Anschluß -V_CC angeschlossen.

Die Schaltsteuereinrichtung C' steuert gleichzeitig das Leitendwerden der Transistoren T1' und T4' und das Sperren der Transistoren T2' und T3', und umgekehrt, abhängig von den Umschaltsignalen, die in der Quelle SW' erzeugt werden.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Steuerschaltung ist identisch mit der bereits anhand der Fig. 1 beschriebenen Funktionsweise: Die Transistoren T3' und T4' funktionieren exakt äquivalent wie die Transistoren T3 bzw. T4. Die Widerstände R3' und R4' gestatten jedoch die exakte Festlegung eines Schwellenwertes für den Basisstrom zum Einschalten der Transistoren T3' bzw. T4'.

In diesem Fall ergeben sich die minimalen Basisstromstärken, die notwendig sind, um die Transistoren einzuschalten, zu

wobei VD'₃ und VD'₄ die Durchlaßspannungen der Dioden D3' und D4', und VBE'₃ und VBE'₄ die Basis-Emitter-Durchlaßspannungen der Transistoren T3' bzw. T4' sind. Wenn man die Widerstandswerte der Widerstände R3' und R4' in geeigneter Weise wählt, kann man die Strom-Schwellenwerte derart stabilisieren, daß mit absoluter Sicherheit ein unerwünschtes Einschalten der Transistoren T3' und T4' vermieden wird, das allein Anlaß ist für Verlustströme seitens der Schaltsteuer­ einrichtung C'.

Ferner verhindern die Dioden D3' und D4' einen Ladungsabfluß aus den Basen der Transistoren T3' und T4' über die Widerstände R3' bzw. R4', wenn diese Transistoren, die im Sättigungszustand leiten, bei dem Umschaltvorgang in der Phase des Sperrens sind. In diesem Be­ triebszustand besteht keine Gefahr von Schwankungen der Dauer des Sperrens der Transistoren T3' und T4'; und somit können nicht derartige Schwankungen zu dem gefährlichen gleichzeitigen Leitendwer­ den der Endtransistoren T1' und T2' führen.

Man erhält also mit einfachsten und billigen Schaltungsmitteln, nämlich mit zwei Widerständen und zwei Dioden, die Gewähr für ein präzises Funktionieren der Schaltung.

In Abwandlung der oben beschriebenen Ausführungsform könnten die Dioden auch durch andere Schaltungselemente realisiert werden, mit denen ein Leiten in nur einer Richtung bewirkt werden kann. Auch die Transistoren der Endstufe könnten durch äquivalente Schaltungselemente ersetzt werden, welche mehr Transistoren umfassen, wie dies dem Fach­ mann bekannt ist.

Die Schaltsteuereinrichtung C' kann in der dem Fachmann geläufigen Weise ausgebildet sein.

Claims (4)

1. Monolithisch integrierbare Steuerschaltung zum Umschälten indukti­ ver Lasten, mit einer Schaltsteuereinrichtung (C') und mit einer zwischen zwei Versorgungsspannungsanschlüsse (+V_CC, -V_CC) einer Versorgungsspannungsquelle geschalteten Gegentakt- Endstufe mit zwei Schalttransistoreinrichtungen (T1', T2') entgegen­ gesetzten Leitungstyps, die in einem Ausgangsanschluß der Steuer­ schaltung in Reihenschaltung miteinander verbunden sind und je einen Steueranschluß aufweisen, der mit einem dem jeweiligen Steueranschluß zugeordneten Steuerausgang der Schaltsteuerein­ richtung (C') verbunden ist; wobei
jeder Schalttransistoreinrichtung (T1', T2') ein Ladungsableittransi­ stor (T3' bzw. T4') zugeordnet ist, der vom gleichen Leitungstyp ist wie die zugeordnete Schalttransistoreinrichtung (T1', T2'), mit seiner Hauptstrecke zwischen den Steueranschluß der zugeordneten Schalttransistoreinrichtung (T1', T2') und denjenigen Versorgungs­ spannungsanschluß (+V_CC, -V_CC), mit welchem die zugeordnete Schalttransistoreinrichtung (T1', T2') verbunden ist, geschaltet ist und einen Steueranschluß aufweist, der über eine Diodeneinrichtung' (D3', D4') mit einem ihm zugeordneten Steuerausgang der Schalt­ steuereinrichtung (C') verbunden ist; wobei
jedem der beiden Ladungsableittransistoren (T3', T4') ein Wider­ stand (R3', R4') zugeordnet ist, der zwischen den zugehörigen Versorgungsspannungsanschluß (+V_CC, -V_CC) und die Verbindung zwischen der zugehörigen Diodeneinrichtung (D3', D4') und der Schaltsteuer­ einrichtung (C') geschaltet ist; und wobei
die Schaltsteuereinrichtung immer nur eine der beiden Schalttransistoreinrichtungen (T1', T2') in einen Sättigungsleitzustand und die jeweils andere Schalttransistoreinrichtung (T1', T2') in einen Sperrzustand steuert;
jeden der beiden Ladungsableittransistoren (T3', T4') gegen­ läufig zu der je zugeordneten Schalttransistoreinrichtung (T1', T2') in einen Sperrzustand bzw. in einen Sättigungsleitzustand steuert, wodurch von dem Steueranschluß der jeweils vom Sättigungsleitzustand in den Sperrzustand gesteuerten Schalt­ transistoreinrichtung (T1', T2') von dem dabei gegenläufig vom Sperrzustand in den Sättigungsleitzustand gesteuerten zugeord­ neten Ladungsableittransistor (T3', T4') Ladung abgeleitet wird, die in dieser Schalttransistoreinrichtung (T1', T2') wäh­ rend ihres Sättigungsleitzustandes gespeichert worden ist.

2. Steuerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalttransistoreinrichtungen (T1', T2') je durch einen Einzeltransistor gebildet sind.

3. Steuerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schalttransistoreinrichtungen (T1', T2') und die beiden Ladungsableittransistoren (T3', T4') je mittels Bipolartransi­ storen gebildet sind und es sich bei den Steueranschlüssen um deren Basisanschlüsse handelt.

4. Steuerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Diodeneinrichtungen (D3', D4') je durch eine Ein­ zeldiode gebildet sind.